一種適用于正交光抽運(yùn)、探測的mems原子氣室及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種堿金屬氣室，尤其是涉及一種適用于正交光抽運(yùn)、探測的MEMS原子氣室及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electromechanical systems，MEMS)技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷的拓展。其中，“與原子物理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)體積小、功耗低、成本低、精度高的精密測量器件”是一個重要的發(fā)展方向，如芯片原子鐘、芯片磁強(qiáng)計(jì)、芯片級核磁共振陀螺儀。在這些原子精密測量器件中，堿金屬氣室都是核心部件。
[0003]基于相干布居囚禁(coherent populat1n trapping，CPT)原理的芯片鐘和基于光抽運(yùn)和磁共振技術(shù)的芯片磁強(qiáng)計(jì)二者物理系統(tǒng)中都只用到一束光與原子相互作用，因此，目前使用的堿金屬氣室通常是中間位硅片兩邊為玻璃的三明治結(jié)構(gòu)，如圖1所示，該結(jié)構(gòu)中間層為中部具有通孔的硅片，硅片的兩側(cè)為Pyrex玻璃。制作時先進(jìn)行一次玻璃與底層的硅片鍵合形成半腔結(jié)構(gòu)，待沖入堿金屬和緩沖氣體后再與Pyrex玻璃片鍵合，完成原子氣體密封。如實(shí)用型專利:基于MEMS技術(shù)的原子氣體腔器件(CN203950129)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述缺陷，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，且能夠在不增加工藝實(shí)現(xiàn)難度的前提下巧妙解決正交光束入射的技術(shù)難題的MEMS原子氣室。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種適用于正交光抽運(yùn)、探測的MEMS原子氣室，包括三層結(jié)構(gòu)，其中，中間層為中部具有通孔的玻璃基片，頂層和底層均為硅片，硅片與玻璃基片鍵合形成密閉的堿金屬氣室，堿金屬氣室內(nèi)充入有堿金屬原子和惰性氣體。
[0006]進(jìn)一步的，在所述頂層和/或底層的硅片的端面上還鍍加熱膜、溫度傳感器和電極。
[0007]適用于正交光抽運(yùn)、探測的MEMS原子氣室的制作方法，包括以下步驟:
(1)將玻璃基片表面拋光，清洗并烘干備用的步驟；
(2)采用刻蝕工藝技術(shù)制作玻璃基片的通孔的步驟；
(3)采用硅-玻璃陽極鍵合工藝，完成玻璃基片與底層硅片的鍵合的步驟；
(4)充入堿金屬原子和惰性氣體；
(5)采用硅-玻璃陽極鍵合工藝，完成玻璃基片與頂層硅片的鍵合的步驟，完成堿金屬氣室的密封。
[0008]進(jìn)一步的，還包括步驟(6):在頂層和/或底層的硅片的端面上鍍加熱膜及溫度傳感器的步驟。
[0009]以玻璃片的通孔為單元格，對整個玻璃片進(jìn)行劃分，形成若干單個的原子氣體腔，單個原子氣體腔的玻璃基片端面做拋光及鍍增透膜處理。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
(I)本發(fā)明具有光強(qiáng)損失小的突出優(yōu)勢，而且不會影響激光的偏振狀態(tài)，可提高核磁共振原子陀螺儀整機(jī)的性能指標(biāo)，適用于抽運(yùn)/探測光通過的NMR原子陀螺儀和SERF磁強(qiáng)計(jì)等傳感器，抽運(yùn)/探測光能更好的耦合到堿金屬氣室，更有效的達(dá)到極化原子和檢測信號的目的。另一方面，本發(fā)明中通光端面鍍增透膜后透光好、光強(qiáng)損失小，圓偏度高，有利于提高整機(jī)的性能指標(biāo)。
[0011](2)本發(fā)明把加熱膜和溫度傳感器鍍到硅基片面的技術(shù)方案，不影響玻璃面的通光效果，而且有利于提高原子氣室的控溫精度。
[0012](3)本發(fā)明基于硅-玻璃陽極鍵合技術(shù)等成熟的MEMS工藝、拋光鍍膜工藝，易于實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0013]圖1為現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3為本發(fā)明中電鍍加熱膜及溫度傳感器示意圖。
[0016]其中，附圖標(biāo)記所對應(yīng)的名稱:1_頂層硅片、2-玻璃基片、3-底層硅片、4-探測光，5-抽運(yùn)光，6-溫度傳感器，7-加熱膜，8-電極。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本發(fā)明的實(shí)施方式包括但不限于下列實(shí)施例。
實(shí)施例
[0018]如圖2和3所示，本實(shí)施例提供了一種適用于正交光抽運(yùn)、探測的MEMS原子氣室，該原子氣室采用三明治結(jié)構(gòu)，包括有三層結(jié)構(gòu)，一層Pyrex玻璃基片、兩層硅片，其中，Pyrex玻璃基片為中間層，頂層和底層則為硅片:頂層硅片和底層硅片，硅片均與玻璃基片鍵合形成密閉的堿金屬氣室，Pyrex玻璃基片的中部具有通孔，通孔為采用刻蝕工藝技術(shù)制作的毫米級別的通孔。上述結(jié)構(gòu)具有四個通光面，滿足物理系統(tǒng)正交通光及特定溫度需求。物理系統(tǒng)激光產(chǎn)生兩束光，一束栗浦光，栗浦光經(jīng)過透鏡變平行光再經(jīng)過偏振片與1/4波片膠合件，變圓偏振光且可調(diào)光強(qiáng)，通過堿金屬氣室后經(jīng)過光檢后鎖定激光頻率;一束探測光，通過堿金屬氣室檢測頻率?，F(xiàn)有技術(shù)都需要在硅片上增加反射面工藝，工藝實(shí)現(xiàn)難度增加，而且會損失激光光強(qiáng)和偏振特性，而本發(fā)明申請則可完全避免該問題。
[0019]僅通過堿金屬實(shí)現(xiàn)來獲得靈敏傳感器是十分困難的，由于惰性氣體相對于堿金屬拉莫爾頻率低、馳豫時間長。本實(shí)施例中堿金屬氣室內(nèi)充入有堿金屬原子(銣或銫)、N2和Xe，本實(shí)施例采用惰性氣體與堿金屬混合物，惰性氣體不影響光栗浦，通過自旋交換過程把堿金屬電子自旋極化轉(zhuǎn)移到惰性氣體原子核上。
[0020]在傳統(tǒng)玻璃-硅-玻璃原子氣室方案中，為保證激光不被加熱膜和溫度傳感器遮擋，一般都鍍在邊緣不通光的位置，僅為局部加熱。而本實(shí)施例中，在硅片的其中一面或雙面(頂層和/或底層硅片端面)采用加熱膜及溫度傳感器控制腔體的溫度，保證氣室蒸汽，相較于現(xiàn)有技術(shù)而言，本方案則是整體加熱，因此溫度梯度更小，控溫精度更高。
[0021 ]適用于正交光抽運(yùn)、探測的MEMS原子氣室的制作方法如下:
(I)選用合適尺寸的玻璃基片，基片表面拋光，保證其平整度與光潔度，清洗并烘干備用。
[0022](2)采用刻蝕工藝技術(shù)制作毫米量級左右的玻璃基片通孔；
(3)采用硅-玻璃陽極鍵合工藝，完成帶通孔的玻璃與底層硅片的鍵合；
(4)然后沖入一定量的堿金屬原子(銣或銫)、N2和Xe；
(5)采用硅-玻璃陽極鍵合工藝再進(jìn)行一次玻璃和硅片的鍵合，完成原子腔體的密封；
(6)在硅片的其中一面或雙面鍍加熱膜及溫度傳感器達(dá)到控溫目的。
[0023]以玻璃片的通孔為單元格，對整個玻璃片進(jìn)行劃分，形成許多的單個原子氣體腔。最后，對單個原子氣體腔玻璃端面做拋光及鍍增透膜處理，通光端面鍍增透膜后透光好、光強(qiáng)損失小，圓偏度高，有利于提高整機(jī)的性能指標(biāo)，保證很好的入射端面和透光性。
[0024]按照上述實(shí)施例，便可很好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。值得說明的是，基于上述設(shè)計(jì)原理的前提下，為解決同樣的技術(shù)問題，即使在本發(fā)明所公開的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上做出的一些無實(shí)質(zhì)性的改動或潤色，所采用的技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)仍然與本發(fā)明一樣，故其也應(yīng)當(dāng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種適用于正交光抽運(yùn)、探測的MEMS原子氣室，其特征在于，包括三層結(jié)構(gòu)，其中，中間層為中部具有通孔的玻璃基片，頂層和底層均為硅片，硅片與玻璃基片鍵合形成密閉的堿金屬氣室，堿金屬氣室內(nèi)充入有堿金屬原子和惰性氣體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于正交光抽運(yùn)、探測的MEMS原子氣室，其特征在于，在所述頂層和/或底層的硅片的端面上還鍍加熱膜、溫度傳感器和電極。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的適用于正交光抽運(yùn)、探測的MEMS原子氣室的制作方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將玻璃基片表面拋光，清洗并烘干備用的步驟； (2)采用刻蝕工藝技術(shù)制作玻璃基片的通孔的步驟； (3)采用硅-玻璃陽極鍵合工藝，完成玻璃基片與底層硅片的鍵合的步驟； (4)充入堿金屬原子和惰性氣體； (5)采用硅-玻璃陽極鍵合工藝，完成玻璃基片與頂層硅片的鍵合的步驟，完成堿金屬氣室的密封。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制作方法，其特征在于，包括以下步驟:還包括步驟(6):在頂層和/或底層的硅片的端面上鍍加熱膜及溫度傳感器的步驟。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制作方法，其特征在于，以玻璃片的通孔為單元格，對整個玻璃片進(jìn)行劃分，形成若干單個的原子氣體腔，單個原子氣體腔的玻璃基片端面做拋光及鍍增透膜處理。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于正交光抽運(yùn)、探測的MEMS原子氣室及其制作方法，主要解決了現(xiàn)有技術(shù)工藝難度大、核磁共振原子陀螺儀物理系統(tǒng)抽運(yùn)/探測光束與原子相互作用的堿金屬氣室及氣室溫度控制等問題。該適用于正交光抽運(yùn)、探測的MEMS原子氣室，其特征在于，包括三層結(jié)構(gòu)，其中，中間層為中部具有通孔的玻璃基片，頂層和底層均為硅片，硅片與玻璃基片鍵合形成密閉的堿金屬氣室，堿金屬氣室內(nèi)充入有堿金屬原子和惰性氣體。本發(fā)明具有光強(qiáng)損失小的突出優(yōu)勢，而且不會影響激光的偏振狀態(tài)，可提高核磁共振原子陀螺儀整機(jī)的性能指標(biāo)。
【IPC分類】B81C1/00, B81C3/00, B81B1/00, G04F5/14, B81B7/00
【公開號】CN105712282
【申請?zhí)枴緾N201610142545
【發(fā)明人】杜潤昌, 楊林, 王守云
【申請人】成都天奧電子股份有限公司